Introducción
Muchos de los misterios de la reproducción humana están enterrados en lo más profundo de los órganos de nuestro cuerpo. Tal es el caso de cómo se forma el espermatozoide, altamente especializado, dentro de los testículos. Cada célula se vuelve ágil y móvil para entregar de manera eficiente su paquete de ADN fuertemente envuelto a un ovocito que espera. La formación y la función de los espermatozoides son fundamentales para la fertilidad: los defectos en la cantidad, la calidad y la movilidad de los espermatozoides representan hasta el 50% de los casos de infertilidad y pueden afectar hasta el 7% de todos los hombres. Sin embargo, carecemos de conocimientos básicos sobre el desarrollo y la función de los espermatozoides, lo que nos lleva a una escasez de conocimientos sobre cómo surgen los problemas que causan la infertilidad.
La formación de los espermatozoides se lleva a cabo cuidadosamente en diferentes regiones de los testículos . Los espermatozoides humanos se forman primero en los túbulos seminíferos, donde el ADN se divide y luego se compacta fuertemente; se eliminan los componentes celulares innecesarios y las células se diferencian. Estos cambios forman un paquete compacto y protegido con un largo flagelo (Fig. 1A). Sin embargo, estos espermatozoides no pueden moverse ni fecundar. Adquieren estas capacidades a través de señales que reciben externamente y que deben ser transmitidas a través de la célula sin transcripción, la cual se apaga debido a la compactación apretada del ADN espermático . La motilidad se habilita mientras los espermatozoides «maduran» atravesando el epidídimo, una red de túbulos enrollados que, cuando se estiran, miden varios metros de longitud (Fig. 1A). Dentro de estos túbulos, los espermatozoides se bañan en fluidos que contienen señales de maduración que los preparan para su entrega a la hembra. Una vez entregados, se activan a través de un proceso llamado capacitación, exponiendo receptores importantes para la fertilidad y volviéndose hipermóviles. Lamentablemente, la inaccesibilidad de los tejidos reproductivos ha dificultado nuestra comprensión de la naturaleza molecular de los componentes que generan o transmiten las señales que contribuyen a estas transformaciones.
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(A) En los seres humanos, los espermatozoides se forman durante la espermatogénesis en los túbulos seminíferos pero no son móviles ni competentes para fecundar. Durante el tránsito y el almacenamiento en el epidídimo, sufren una maduración para adquirir la capacidad de movimiento. Al entrar en el tracto reproductivo femenino, los espermatozoides adquieren la capacidad de fecundación mediante un proceso denominado capacitación, que altera la membrana de la cabeza del espermatozoide para permitir la fusión de las membranas y hace que los espermatozoides se vuelvan hipermóviles. (B) En C. elegans, los espermatozoides se forman durante la espermatogénesis tanto en los hermafroditas como en los machos. Cuando los machos se aparean con hermafroditas o cuando las hermafroditas pasan a la formación de ovocitos, los espermatozoides se activan. Esta activación provoca la formación del seudópodo que permite a los espermatozoides arrastrarse.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
La necesidad de que los espermatozoides maduren o se activen durante un periodo de inactividad transcripcional es común entre los animales que se reproducen sexualmente, incluso los más simples con espermatozoides de aspecto muy diferente. Estos organismos menos complejos han sido durante mucho tiempo ideales para el estudio de la fertilidad masculina, ya que permiten el uso de métodos que no son fáciles de llevar a cabo en humanos. Uno de estos organismos es el pequeño nematodo Caenorhabditis elegans . El C. elegans es transparente, por lo que los investigadores pueden ver fácilmente la espermatogénesis en machos o hermafroditas y la fecundación de los ovocitos en los hermafroditas. Los espermatozoides ameboides de C. elegans, a diferencia de los espermatozoides de los mamíferos, se arrastran mediante un apéndice llamado pseudópodo. Sin embargo, al igual que los espermatozoides de los mamíferos, los espermatozoides de C. elegans también deben recibir señales para provocar la formación de su aparato de motilidad, el pseudópodo, que se activa tan pronto como se forma (Fig. 1B).
En las décadas de 1970 y 1980, los investigadores de C. elegans realizaron cribas genéticas masivas que identificaron docenas de genes que eran defectuosos en la espermatogénesis (spe) o la fertilización (fer) cuando estaban mutados . Un ejemplo es el gen spe-8 que codifica una proteína tirosina quinasa, cuyos miembros de la familia transmiten información celular a través de la fosforilación . Varias otras proteínas SPE también funcionan con SPE-8, formando la vía de señalización SPE-8 que, aunque está activa en ambos sexos, es esencial en los hermafroditas para la formación de pseudópodos y la motilidad . Un examen genético más reciente también ha identificado una vía distinta de activación de los espermatozoides masculinos desencadenada por una proteasa suministrada por los machos junto con los espermatozoides . Sin embargo, siguen existiendo importantes lagunas en nuestra comprensión de la vía de señalización hermafrodita SPE-8. Esto incluye cómo se activa esta vía y cómo se propaga la señal dentro de las células para hacer que los espermatozoides sean móviles. Los investigadores han estado examinando los mutantes identificados por las pruebas de fertilidad para encontrar los eslabones que faltan, pero todavía no han reunido todas las piezas para definir la vía completa.
Un sorprendente miembro candidato de la vía -el zinc- se encontró mediante un método in vitro para aislar espermatozoides inmaduros de C. elegans y exponerlos a compuestos . Altos niveles de zinc extracelular o la activación de la vía SPE-8 provocaron la redistribución de los niveles de zinc intracelular. Estos estudios sugieren que el zinc puede iniciar la cascada de señalización SPE-8 o funcionar dentro de la cascada para activar el esperma. Sin embargo, los detalles moleculares de cómo actúa exactamente el zinc en una vía de señalización -como señal de iniciación o como propagador de la señal- no estaban claros.
Las historias convergieron cuando tres grupos de investigación se dieron cuenta de que estaban trabajando en la misma proteína -un transportador de zinc-. Los laboratorios de Kornfeld y Ellis buscaban proteínas que se parecieran a las proteínas ZIP, muy conservadas evolutivamente, que reciben el nombre de transportadores de zinc de proteínas similares a la Zrt y la Irt de la levadura . Descubrieron que la supresión de uno de estos homólogos, zipt-7.1, provocaba esterilidad. Mientras tanto, el laboratorio de Singson buscaba una señal de activación de los espermatozoides mediante el cribado de mutantes de fertilidad. Encontraron un mutante con una lesión en el mismo gen descubierto en uno de los cribados de fertilidad originales, conocido como hc130. La secuenciación de los animales hc130 confirmó que albergaban una mutación en el gen zipt-7.1.
Los laboratorios trabajaron juntos para determinar cómo encajan el zinc y el transportador de zinc ZIPT-7.1 en una vía de señalización necesaria para la fertilidad: ¿Es el zinc una señal externa de activación o un mensajero interno de la señal? Una pista sobre la función de ZIPT-7.1 es que esta proteína transmembrana se localiza en los espermatozoides en desarrollo, lo que indica una posible función en las membranas internas. Además, cuando ZIPT-7.1 de C. elegans se expresa en células de mamíferos, también se localiza en regiones que se solapan con orgánulos intracelulares. Los autores demuestran que ZIPT-7.1 funciona en la regulación de los niveles de zinc en las células: Los mutantes de C. elegans sin ZIPT-7.1 tienen niveles más bajos de zinc interno, que se almacena en orgánulos internos, y las células de mamíferos que expresan el ZIPT-7.1 de C. elegans muestran una mayor tasa de captación de zinc en presencia de zinc etiquetado añadido externamente.
Para demostrar aún más que ZIPT-7.1 funciona dentro de las células, los autores determinaron dónde funciona ZIPT-7.1 dentro de la vía SPE-8. Comprobaron que ZIPT-7.1 funciona a continuación de un miembro de la vía -SPE-6, que se sabe que funciona dentro de la célula- e interactúa con otro miembro llamado SPE-4, que también se localiza en las membranas internas. Esto sitúa a ZIPT-7.1 al final de la vía SPE-8 para regular la liberación de zinc en el citoplasma desde los almacenes internos para propagar la señal de activación. Los autores no pudieron descartar que el zinc también desempeñe algún papel en la señalización extracelular, pero postulan que los niveles elevados de zinc extracelular pueden imitar la liberación intracelular, eludiendo gran parte de la vía SPE-8. Sin embargo, dado que el zinc y ZIPT-7.1 tienen claramente funciones intracelulares, es probable que la señal de activación de la vía SPE-8 esté aún por dilucidar.
El modelo para esta vía sitúa a la proteína ZIPT-7.1 en las membranas de los orgánulos internos que almacenan zinc en los espermatozoides inactivos. Cuando los espermatozoides reciben la todavía misteriosa señal que activa la vía SPE-8, ZIPT-7.1 se activa y libera el zinc de los orgánulos intracelulares al citosol. Los altos niveles de zinc citoplásmico presumiblemente activan las proteínas reguladas por zinc que desarrollan estructuras de motilidad en ausencia de transcripción (Fig. 2). Esto sitúa al zinc como un importante «segundo mensajero» que retransmite la señal de activación a las proteínas intracelulares que modulan la adquisición de la motilidad.
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Al activarse la vía de señalización SPE-8, el zinc se libera en el citoplasma desde los orgánulos de almacenamiento intracelular a través de ZIPT-7.1. Los altos niveles de zinc citoplasmático activan proteínas de unión a zinc aún no identificadas que desencadenan los cambios fisiológicos para desarrollar estructuras de motilidad. SPE-8, espermatogénesis defectuosa; ZIPT-7.1, transportador de proteínas similar a Zrt e Irt 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Los hallazgos de este trabajo son novedosos porque muestran que el zinc tiene un papel distinto como segundo mensajero en una vía de señalización biológica definida y vital para la fertilidad. El zinc, un mineral esencial, tiene un papel bien establecido en la estabilización de la estructura y la actividad enzimática de clases específicas de proteínas que se unen al zinc, como los factores de transcripción. Sin embargo, la falta de transcripción en esta fase del desarrollo de los espermatozoides hace improbable que el zinc actúe para promover la transcripción. En cambio, este estudio revela cómo los niveles de zinc son controlados y leídos por la célula. (1) Los niveles de zinc dentro de la célula están muy regulados porque los niveles se leen para cambiar la actividad de las proteínas celulares. (2) Los transportadores de zinc son fundamentales para regular los niveles de zinc en el interior de la célula, lo que indica que pueden regular la liberación de zinc de los almacenes internos al citoplasma, y no sólo la importación de zinc del entorno externo. (3) La fertilidad masculina depende de segundos mensajeros como el zinc para inducir cambios fisiológicos en los espermatozoides durante un periodo crítico en el que la transcripción no está activa.
Este estudio indica que las funciones del zinc y de los transportadores de zinc en la señalización pueden ser importantes para investigar el desarrollo y la función del esperma humano. Aunque se sabe desde hace tiempo que el calcio funciona como un componente de señalización importante para la fertilidad, están apareciendo otros informes que indican que el zinc desempeña funciones de señalización en diversos contextos. Por ejemplo, se ha demostrado que en el momento de la fecundación se produce una liberación de zinc de los ovocitos al espacio extracelular, denominada chispa de zinc, cuando los óvulos se activan. El zinc intracelular también puede regular la liberación de calcio en las células cardíacas. En el caso de la fertilidad masculina, los niveles de zinc son elevados en los testículos, y los transportadores de zinc se expresan en diferentes regiones del epidídimo . Además, la deficiencia de zinc está relacionada con la disminución de la fertilidad masculina. Dado que el zinc es tan abundante en el laberinto de los túbulos testiculares, todavía hay que desentrañar las funciones del zinc en la fertilidad masculina. Sin embargo, estos estudios demuestran que la investigación de las funciones del zinc intracelular que median en las transformaciones del desarrollo será una vía importante para explorar numerosos procesos en una amplia gama de especies.